(57)【要約】【課題】  不活性ガス雰囲気中で処理品の熱処理を行う熱処理炉において、炉内雰囲気ガスの酸素濃度の上昇を抑制して迅速に目標値以下に復帰させることができる、熱処理炉における炉内雰囲気制御方法を提供する。【解決手段】  不活性ガスの炉内への送入量を調節することにより、炉内雰囲気ガスの露点を目標値以下に制御するようにした熱処理炉１における炉内雰囲気の制御方法において、実測した炉内雰囲気ガスの酸素濃度に基づいて水素ガスの炉内への送入量を調節することにより、この水素ガスと炉内雰囲気ガス中の酸素とを反応させて、露点が前記目標値を越えることなく炉内雰囲気ガスの酸素濃度が目標値以下となるように制御する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
不活性ガスの炉内への送入量を調節することにより、炉内雰囲気ガスの露点を目標値以下に制御するようにした熱処理炉における炉内雰囲気の制御方法において、
実測した炉内雰囲気ガスの酸素濃度に基づいて水素ガスの炉内への送入量を調節することにより、この水素ガスと炉内雰囲気ガス中の酸素とを反応させて、露点が前記目標値を越えることなく炉内雰囲気ガスの酸素濃度が目標値以下となるように制御することを特徴とする熱処理炉における炉内雰囲気の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、不活性ガス雰囲気中で処理品の熱処理を行う熱処理炉における炉内雰囲気の制御方法に関し、さらに詳しくは、炉内雰囲気ガスの露点及び酸素濃度の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
棒状、線状、板状などの各種形状を有し炭素鋼や特殊鋼などからなる鋼材は、加工性改善のために焼鈍処理されるが、従来の焼鈍では、雰囲気中での加熱時には、鋼材に脱浸炭が生じないように、例えば吸熱型ガス等を調整して、ＣＯ及びＣＯ２濃度の比率によって決まるＣＰ値（カーボンポテンシャル）を、常時炉温や鋼種に応じて変更する雰囲気制御を行う必要があった。そこで、より雰囲気制御の容易な窒素ガス等の不活性ガス雰囲気中での焼鈍も採用されるようになり、それに適した構造の低露点雰囲気炉も提案されている（例えば特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−５１２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで上記の炉内の不活性ガス雰囲気は、鋼材の脱炭及び酸化防止のため、例えば露点−５０℃以下、酸素濃度１ｐｐｍ以下という、低露点・低酸素濃度の雰囲気とする必要があり、この雰囲気実現のために、例えば露点−７０℃〜−８０℃、酸素濃度約１ｐｐｍの高純度の窒素ガスを炉内に送入して炉内雰囲気を置換することが行われている。
【０００５】
ところがこの窒素ガスの送入のみによっては、炉内雰囲気ガスの露点は目標値（−５０℃）以下を達成できるものの、炉内雰囲気ガスの酸素濃度の目標値（１ｐｐｍ）以下を達成するには、長時間にわたる大量の窒素ガスによる置換が必要であった。例えば炉操業中に、微量の大気分が処理品（鋼材）に付着する等して炉内に侵入した場合は、露点よりも酸素濃度の方がより早く目標値を外れる。例として、酸素２１％に対し水分の容積割合が約４％である露点３０℃の大気が、炉内の容積の１万分の１の容積分炉内に侵入した場合、酸素濃度は２１ｐｐｍ上昇するのに対し、水分の容積割合は僅か４ｐｐｍしか上昇しない（−６０℃の露点の雰囲気ガスの場合、約−５８℃に上昇する程度）。このように、大気が侵入した場合、露点よりも酸素濃度の方が目標値以上となりやすく、従来のように窒素ガスの送入だけでは、長時間にわたるパージが必要であり、処理品の酸化や脱炭を生じさせない酸素濃度まで処理品の加熱を待つ必要があった。
【０００６】
この発明は上記の点にかんがみてなされたもので、不活性ガス雰囲気中で処理品の熱処理を行う熱処理炉において、炉内雰囲気ガスの酸素濃度の上昇を抑制して迅速に目標値以下に復帰させることができる、熱処理炉における炉内雰囲気制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するためにこの発明の熱処理炉における炉内雰囲気の制御方法は、不活性ガスの炉内への送入量を調節することにより、炉内雰囲気ガスの露点を目標値以下に制御するようにした熱処理炉における炉内雰囲気の制御方法において、実測した炉内雰囲気ガスの酸素濃度に基づいて水素ガスの炉内への送入量を調節することにより、この水素ガスと炉内雰囲気ガス中の酸素とを反応させて、露点が前記目標値を越えることなく炉内雰囲気ガスの酸素濃度が目標値以下となるように制御することを特徴とする。
【０００８】
このように構成することにより、炉内雰囲気ガスの酸素濃度に基づいて水素ガスを炉内へ送入し、この水素ガスと炉内雰囲気ガス中の酸素とを反応させることにより、上記酸素は消費されて酸素濃度の上昇が抑制され、不活性ガスの送入のみによる場合に比べて遙かに短時間で酸素濃度を目標値以下に復帰させることができる。そしてこの水素ガスと炉内の酸素により生成した水分による炉内雰囲気ガスの露点上昇はごく僅かであり、露点が目標値を越えることなく酸素濃度を制御することができるのである。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したようにこの発明によれば、不活性ガス雰囲気中で処理品の熱処理を行う熱処理炉において、炉内雰囲気ガスの酸素濃度の上昇を抑制して迅速に目標値以下に復帰させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態の一例を示す熱処理炉の雰囲気制御系統図である。
【図２】図１の制御系による雰囲気制御方法の例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下図１及び図２に示す一例により、この発明の実施の形態を説明する。図１は熱処理炉の雰囲気制御系統図であり、図中、１は熱処理炉で、周知の炉内加熱手段をそなえ鋼材からなる処理品（図示しない）を所定の不活性ガス雰囲気中で熱処理するものであり、その炉体には、不活性ガス供給管２及び排気管３とともに、水素ガス供給管４が接続され、不活性ガス供給管２には流量調節弁５が、排気管３には排気弁６が、水素ガス供給管４には流量調節弁７が、それぞれ設けてある。そしてこの例においては不活性ガスとして、所定の低露点及び酸素濃度の窒素ガス（例えば露点−７０℃〜−８０℃，酸素濃度約１ｐｐｍの前述した高純度の窒素ガス）を用いている。
【００１２】
８は、熱処理炉１内の炉圧を連続的に測定する圧力計、９及び１０は炉圧の目標値（上限値及び下限値）を設定する設定部、１１は圧力計８からの炉圧実測値と設定部９からの炉圧目標値との偏差に応じた調節信号を流量調節弁５に出力する調節部、１２は同じく圧力計８からの炉圧実測値と設定部１０からの炉圧目標値との偏差に応じた調節信号を排気弁６に出力する調節部であり、これら各部によって、熱処理炉１への窒素ガスの送入量及び炉内雰囲気ガスの排気量を調節して炉内を所定の炉圧にフィードバック制御する炉圧制御部が構成されている。なおこれら各部による具体的な制御の流れについては、後述するフローチャートにより説明する。
【００１３】
また１３は、熱処理炉１内の雰囲気ガスをサンプリングしてその露点を連続的に測定する分析計（露点計）、１４は露点の目標値を設定する設定部であり、この分析計１３の露点実測値は、前記炉圧調節用の調節部１１に入力され、設定部１４からの露点目標値との偏差に応じた調節信号が不活性ガス流量調節用の流量調節弁５に出力されて、露点を所定の目標値以下にフィードバック制御する露点制御部が構成されている。
【００１４】
一方１５は、熱処理炉１内の雰囲気ガスをサンプリングして酸素濃度を連続的に測定する分析計、１６は炉内の酸素濃度の目標値を設定する設定部、１７は露点目標値（詳しくは酸素濃度制御開始のための基準値）を設定する設定部、１８は、分析計１３からの露点実測値が設定部１７の露点目標値以下のときに、分析計１５からの酸素濃度実測値と設定部１６からの酸素濃度目標値との偏差に応じた調節信号を流量調節弁７に出力する調節部であり、これら各部によって、熱処理炉１への水素ガスの送入量を調節してこの水素ガスと炉内雰囲気ガス中の酸素とを反応させることにより、酸素濃度を目標値以下にフィードバック制御する酸素濃度制御部が構成されている。
【００１５】
次に上記の各制御部による雰囲気制御法を、炉圧，露点及び酸素濃度の各目標値をそれぞれ具体的な数値例として表示した図２のフローチャート、及び図１により説明する。
【００１６】
すなわち、炉内に処理材が装入された熱処理炉１の稼働開始時においては、排気弁６は全閉状態にあり、先ず前記炉圧制御部においては、圧力計８により炉圧を連続的に測定し（ステップ２１）、炉圧実測値がゲージ圧で１５０Ｐａ（下限値）以下であれば調節部１１により流量調節弁５の開度を調節して窒素ガスを炉内へ送入し（ステップ２２，２３）、炉圧実測値がゲージ圧で３００Ｐａ（上限値）以下のときは排気弁６を閉状態に維持し（ステップ２４，２５）、ステップ２４で炉圧実測値が３００Ｐａ（上限値）以上となったら、流量調節弁５を閉じて窒素ガスの供給を停止するとともに、調節部１２により排気弁６を開いてその開度を調節して炉内ガスを排気し（ステップ２６，２７）、炉圧実測値が３００Ｐａ（上限値）以下となったら排気弁６を閉じ（ステップ２４，２５）、これらの連続的な制御によって炉圧は所定の炉圧（１５０〜３００Ｐａ）に維持される。
【００１７】
一方前記露点制御部及び酸素濃度制御部においては、分析計１３により炉内雰囲気ガスの露点を連続的に測定し（ステップ３１）、露点実測値が−５０℃（目標値）を越えているときは、調節部１１により流量調節弁５の開度を調節して窒素ガスを炉内へ送入し（ステップ３２，３３）、炉内雰囲気ガスの露点を−５０℃（目標値）以下となるように制御する。そして露点実測値が−５０℃（目標値）以下となったら、分析計１５により炉内雰囲気ガスの酸素濃度を連続的に測定（ステップ３４）して得た酸素濃度実測値が、１．０ｐｐｍ（目標値）を越えているときは、調節部１８により流量調節弁７の開度を調節して酸素濃度目標値と酸素濃度実測値との偏差に応じた流量の水素ガスを炉内へ送入する（ステップ３５，３６）。
【００１８】
この炉内へ送入された水素ガスは、炉内雰囲気ガス中の酸素との反応（２Ｈ２＋Ｏ２＝２Ｈ２Ｏ）により上記酸素を消費させるので、少量の水素ガスの送入により、炉内雰囲気ガスの酸素濃度を低酸素濃度値である１．０ｐｐｍ（目標値）以下に迅速に復帰させることができ、従来のような長時間にわたる大量の窒素ガスの炉内送入は不要となる。例えば、目標とする炉内雰囲気が露点：−５０℃以下、酸素濃度：１ｐｐｍ以下に対し、露点：−６０℃、酸素濃度：３ｐｐｍの場合では、フィードバック制御により、酸素濃度実測値（３ｐｐｍ）が酸素濃度目標値（１ｐｐｍ）になるように、調節部１８により流量調節弁７の開度を調節して酸素濃度目標値と酸素濃度実測値との偏差に応じた流量の水素ガスを炉内へ送入する。そして、酸素濃度実測値（３ｐｐｍ）を酸素濃度目標値（１ｐｐｍ）にするには、理論上、酸素濃度の偏差（２ｐｐｍ）の２倍量である４ｐｐｍに相当する容積の水素ガスを送入する必要がある。この場合、上記反応により２ｐｐｍの酸素が消費されて、炉内の酸素濃度は１ｐｐｍになるのである。またこの場合、上記反応により４ｐｐｍの水分が生成されるが、この水分量は炉内雰囲気ガスの露点を−６０℃から−５８℃に上昇させる程度の微量のものであるので、更なる低露点の窒素ガスの炉内送入は不要であり、水素ガスの送入のみにより炉内雰囲気の制御が可能である。なお、大気の侵入や上記反応による水分の生成等により露点が−５０℃以上になったときは、ステップ３３による窒素ガスの炉内送入により、短時間で露点は目標値以下に復帰させることができる。このようにして、上記のステップ３１〜３６による露点及び酸素濃度の制御を連続的に行うことにより、炉内雰囲気ガスの酸素濃度の上昇を制御して迅速に目標値以下に復帰させることができるのである。
【００１９】
この発明は上記の例に限定されるものではなく、例えば雰囲気制御系統や制御のフローの具体的構成は上記以外のものとしてもよく、また炉圧，露点，酸素ガス濃度の各目標値なども上記以外の値としてもよい。また上記の例では不活性ガスとして窒素ガスを用いたが、例えばアルゴンガスなどの不活性ガスを用いる熱処理炉にも、この発明は適用できるものである。
【符号の説明】
【００２０】
１…熱処理炉、２…不活性ガス供給管、３…排気管、４…水素ガス供給管、５…流量調節弁、７…流量調節弁、１１…調節部、１３…分析計、１４…設定部、１５…分析計、１６…設定部、１７…設定部、１８…調節部。
【図１】
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【図２】
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